Сухие трансформаторы и электрические реакторы с литой кремнийорганической изоляцией обмоток POLYMER производства ЭЛТИЗ

Эта статья открывает серию публикаций на сайте ELTIZ, касающихся научно-технических, опытно-конструкторских и опытно-технологических работ, включая анализ публикаций о новинках применительно к трансформаторам и электрическим реакторам (хэштэг «НИОКР»)

Трансформатор сухого типа рекомендуется вместо трансформаторов с жидким диэлектриком (минеральным маслом) вследствие следующих сравнительных преимуществ, как более эффективный по замыкающим затратам (затратам за весь жизненный цикл). Сравнение сухих трансформаторов с трансформаторами с жидким диэлектриком на основе углеводородов и жидких силиконов только усиливает преимущество сухих трансформаторов. Поэтому в сравнении будем упоминать масляные трансформаторы. Итак, в чем сухой трансформатор предпочтительнее масляного?

Прежде всего, как более безопасный. Сухой трансформатор может быть, в отличие от масляного, установлен внутри помещений, не обладающих специальной огнестойкостью или обязательной системой пожаротушения, в том числе жилых, ввиду его пожаробезопасности. Устройства, предупреждающие выброс масла и его возгорание в аварийных режимах масляных трансформаторов до сих пор не обладают абсолютной надежностью. Основным риском является не просто возгорание трансформатора, а распространение пожара в помещении, когда потери будут несоизмеримы со стоимостью трансформатора.

В эксплуатационных затратах сухого трансформатора отсутствует значительная часть затрат на обслуживание: он не требует контроля состояния, неоднократной в период эксплуатации очистки, сушки и замены масла, контроля и замены резиновых маслостойких деталей, контроля подтекания масла в системе охлаждения и ремонта самой системы охлаждения, подверженной коррозии, частичной разборки при необходимости подтяжки прессующих обмотки элементов и др. Не избавлены полностью от такого обслуживания и масляные трансформаторы с герметичными баками, поддержание герметичности которых зачастую требует в процессе эксплуатации дополнительных затрат.

Использование высокотемпературных изоляционных систем с высокой электрической стойкостью негорючей изоляции приводит к превосходству определенных конструкций сухих трансформаторов над масляными трансформаторами в части нагрузочной способности и стойкости при перегрузочных и аварийных режимах.

В период эксплуатации в рабочих и аварийных режимах сухие трансформаторы не выделяют токсичных газов, что отличает масляные трансформаторы.

Сухие трансформаторы, по очевидной причине, не нуждаются в специальных мерах по пожаробезопасному маслоулавливанию (бассейнах на случай выброса масла или разрыва бака).

Современные изоляционные материалы и конструкции сухих трансформаторов более эффективно выполняют электроизоляционную функцию, чем трансформаторное масло, а в функции охлаждения трансформаторное масло является дополнительным теплоносителем, поскольку в конечном итоге охлаждение и масляного трансформатора, и сухого, осуществляется окружающим трансформатор воздухом.

При необходимости интенсификации охлаждения (что позволяет уменьшить размеры трансформатора) наряду с принудительной циркуляцией воздуха требуется система принудительной циркуляции масла. Все это ведет к дополнительным производственным и эксплуатационным затратам и снижению надежности в работе трансформатора.

Для удешевления в производстве в масляных трансформаторах применяется твердая изоляция на основе целлюлозы. А основным фактором старения любой твердой изоляции является ее температура в процессе эксплуатации. Со временем под воздействием температуры изоляция на основе целлюлозы (бумага, картон) подвергается процессу деполимеризации. Поскольку цепь целлюлозы становится короче, механические свойства бумаги и картона, такие как прочность при растяжении и упругость ухудшаются. В конце концов, бумага и картон становятся хрупкими и не способны выдерживать усилия короткого замыкания, и даже нормальные вибрации, которые являются частью жизни трансформатора. При этом работоспособность и срок жизни изоляции определяется не средней температурой, а температурой в наиболее нагретой точке, где износ изоляции оказывается намного выше среднего. Это явление необратимо,  и определяет срок жизни масляного трансформатора. В процессе же эксплуатации жидкая изоляция — трансформаторное масло — загрязняется частичками целлюлозы, что вызывает необходимость его периодической очистки или даже замены. Ничего подобного, разумеется,  нет в сухих трансформаторах.

Температура твердой изоляции является основным фактором старения трансформатора. Этот процесс хорошо известен, и были предприняты настоятельные усилия для мониторинга температуры наиболее нагретой точки, чтобы воспользоваться охлаждением окружающей среды, продлить срок службы трансформатора при обеспечении перегрузочных и аварийных возможностей. На рисунке 1 показана чувствительность бумаги к температуре. Современные масляные трансформаторы используют термически стойкую бумагу, которая была химически обработана для улучшения устойчивости структуры целлюлозы. Номинальная температура горячей точки для такого рода бумаги составляет 110 ° C, и видно, что увеличение на 7 ° C будет удваивать фактор ускорения старения. Для более старого трансформатора, произведенного с нормальной крафт-бумагой, номинальная температура наиболее нагретой точки составляет 95 ° C в соответствии с IEEE или 97 ° C в соответствии с IEC. Эта изоляция также очень чувствительна к температуре и в случае чрезвычайной ситуации (при условии, что температура горячей точки 140 ° C) фактор ускорения старения составляет около 100, что означает, что один час в этом состоянии эквивалентен 100 часов при номинальной температуре. Не намного улучшается ситуация с применением бумаги с включением стекловолокна.

Рис. 1 Эффект температуры на скорость старения бумаги

Плохо просушенные масляные трансформаторы (с изоляцией, содержащей более 2% воды, которую они накапливают вследствие конденсации внутри бака даже в процессе работы), обладают дополнительным риском при высокой температуре обмоток. Оставшаяся в бумаге вода может достичь условий образования пузырьков, которые вырываются из бумаги в виде водяного пара. Эти пузырьки могут двигаться с потоком масла или задержаться в обмотке, и в обоих случаях создают угрозу для изоляции.

Наконец, естественная тепловая инерция трансформаторного масла (вязкого нефтепродукта) не обеспечивает быстрого охлаждения наиболее нагретой точки при внезапном быстром повышении температуры обмоток.

В части упомянутых явлений сухие трансформаторы отличаются в лучшую сторону: старение изоляции намного меньше благодаря применению нецеллюлозной основы твердой изоляции, технология изготовления и сушка в процессе эксплуатации исключают образование устойчивых водяных загрязнений. Благодаря конструкции облегчена локализация наиболее нагретой точки, куда может быть установлен датчик температуры.

Незначительная чувствительность изоляции к влаге и химическая инертность изоляционных материалов сухих трансформаторов дают возможность использовать их в условиях повышенной влажности и в химически агрессивной атмосфере химических, нефтегазодобывающих и металлургических производств. Немаловажным преимуществом является использование именно сухих трансформаторов в передвижных установках энергоснабжения в областях нефтегазодобычи и горнорудной промышленности.

Чем больше в организации установленных сухих трансформаторов, тем меньше затраты на маслохозяйство и его специалистов, поскольку техническое обслуживание сухих трансформаторов сводится, по существу, к периодической очистке от загрязнений (пыли) и подтяжке болтов на шинах соединения трансформатора с линиями.

Возросшие в последние годы требования к сейсмостойкости электроснабжения обеспечиваются сухими трансформаторами более эффективно, чем масляными. Монолитность обмоток, отсутствие необходимости их периодической подпрессовки, отсутствие влияющих на сейсмостойкость элементов (маслорасширителя и др.), не говоря уже о пожаробезопасности, гарантирует более высокую сейсмостойкость сухих трансформаторов. Сухие трансформаторы с полимерной изоляцией оптимальны для использования на АЭС и в подземных помещениях (например, в метро), где нужна устойчивость к вибрациям. Высокая теплостойкость обмоток (класс H — 180 ^ОC) обеспечивает надежность электроснабжения и безопасность в местах высокого риска, например, в шахтах и на взрывоопасных участках.

В замыкающих затратах преимущество масляного трансформатора перед сухим трансформатором по габаритным размерам представляется совершенно незначительным.

Более высокая цена сухого трансформатора в сравнении с масляным трансформатором при покупке быстро окупается ввиду резкого сокращения затрат на трудовые ресурсы, без которых невозможно обслуживание масляного трансформатора. А ожидаемая стоимость таких ресурсов с течением времени резко возрастет в условиях перехода к классической рыночной экономике.

Очевидна разница в обслуживании сухого и масляного трансформаторов в КТП ввиду ограниченного пространства.

Ремонтопригодность масляных трансформаторов действительно является преимуществом только при сравнении с сухими трансформаторами с литой изоляцией из компаунда. Однако, сухие трансформаторы с изоляцией РЕЗИБЛОК, РЕЗИГЛАСС и ПОЛИМЕР (последние – производства ЭЛТИЗ, Украина) экономически и по времени более ремонтопригодны, чем масляные трансформаторы. В литературе такие конструкции называются трансформаторами с открытыми обмотками, в отличие от обмоток с литой изоляцией из компаунда.

Одним из факторов расположения трансформатора снаружи помещения, не рассматриваемым экономически вообще, являются потери в подводящих линиях (как правило, кабельных сетях низкого напряжения). Стоимость самих линий в самом деле несущественна по отношению к цене трансформатора, чего нельзя сказать о потерях. Очевидно, что при расположении внутри помещения, что возможно для сухого трансформатора, такие потери меньше.

И последнее. Несмотря на достаточно высокую надежность современных схем электроснабжения, все же порой требуется замена трансформатора для быстрого восстановления электроснабжения. При хранении резервных трансформаторов на складе сухой трансформатор имеет то же преимущество: даже неработающий масляный трансформатор нуждается в обслуживании, а сухой – нет.

Имеющаяся в интернет сравнительная информация о сухих и масляных трансформаторах справедливо основана на многолетней (многодесятилетней) статистике эксплуатации. Однако относиться к техническим и экономическим выводам на основе этой статистики следует критически. Если на сегодняшний день конструкция и материалы масляных трансформаторов практически не изменились, то в конструкции и особенно материалах сухих трансформаторов произошли существенные изменения, которые в значительной мере и обусловили как раз вышеприведенные преимущества.

Отдельного внимания заслуживает экологичность трансформаторов как в производстве, так в эксплуатации и утилизации. К сожалению, сухие трансформаторы с литой изоляцией из компаунда создают иную, чем масляные, но все же проблему при их утилизации. При этом для вторичного использования неэкономично извлечение из такой изоляции активных материалов (алюминия и меди), как и переработка самого компаунда, утилизация которого остается нерешенным вопросом и надолго загрязнит полигоны промышленных отходов. Не следует забывать, что медь не безопасна для человека, т.к. относится к токсичным тяжелым металлам.

Не соответствует действительности для современных сухих трансформаторов превосходство масляных трансформаторов в сроке службы. Это обусловлено  сменой изоляции на основе целлюлозы на материалы на основе кремния (стекловолокно, стеклонити), а связывающих веществ – на кремнийорганические (лаки, компаунды, краски).

Известным сравнительным недостатком сухих трансформаторов является более высокий уровень шума. И хотя современные сухие трансформаторы укладываются, разумеется, в установленные требования к уровню шума, их установка внутри помещений, особенно жилых, требует более низкой шумности, при этом меры для этого не очень затратные. В то же время более низкий шум масляных трансформаторов является преимуществом при прочих равных условиях, а они-то как раз неравны: в местах установки масляных трансформаторов шумовое загрязнение, как правило, не имеет никакого значения, т.к. мощные трансформаторы в жилых кварталах стоят в специальных зданиях подстанций или в закрытых КТП, а столбовые подстанции малошумные ввиду их относительно небольшой мощности. Получается, что хотя масляные трансформаторы имеют меньший уровень шума, но воспользоваться этим преимуществом не позволяет их пожароопасность.

Важно обратить внимание на различие конструкций самих современных сухих трансформаторов. Так, трансформаторы с литой изоляцией из компаунда не обладают частью вышеуказанных преимуществ перед масляными трансформаторами. И вот почему.

Хотя применение эпоксидных смол со специальными наполнителями позволило улучшить механическую и тепловую стойкость и обеспечить противопожарные свойства трансформаторов с литой изоляцией, но значительно большая масса изоляции литой обмотки при неоднородности материала даже при заливке под вакуумом серьезно увеличивает вероятность возникновения частичных разрядов, снижающих срок службы к тому же ремонтонепригодных обмоток. Толстая изоляция вызывает проблемы с охлаждением обмотки высокого напряжения. Изготовление же обмотки с вертикальными охлаждающими каналами в литой изоляции из компаунда резко увеличивает стоимость обмоток. Разница температур окружающего воздуха и обмотки приводит к опасным механическим напряжениям в изоляции. Это недопустимо в тяжелых температурных (климатических)  условиях и резко переменных нагрузках. При низких температурах (ниже ‑25 ^ОС) в эпоксидной изоляции происходят деструктивные изменения, что делает крайне рискованным, а то и нецелесообразным, использование литых трансформаторов в регионах с морозным климатом.  Указанных недостатков лишены сухие трансформаторы с полимерной изоляцией обмоток. Именно такие трансформаторы производит Частное предприятие ЭЛТИЗ. Благодаря специальной конструкции и материалам вероятность возникновения частичных разрядов в полимерной изоляции невелика вследствие небольшой толщины кремнийорганического лака, пропитывающего обмотки, при этом больше с целью обеспечения их монолитности для высокой механической прочности, чем для повышения электрической прочности, обеспечиваемой как изоляцией провода, так и оригинальной конструкцией межслоевых переходов. Для указанной конструкции обмоток более эффективным средством исключения частичных разрядов является не заливка под вакуумом, а специальная ультразвуковая обработка обмоток в процессе пропитки.

Конкретное описание особенностей сухих трансформаторов и электрических реакторов производства частного предприятия ЭЛТИЗ изложено в статье «Сухие трансформаторы и электрические реакторы с литой кремнийорганической изоляцией обмоток POLYMER производства ЭЛТИЗ, Украина»